用app控制我们身体的细胞运行，量子生物学可能会彻底改变生命运作

原创 哈尔鲍曼9000 科学剃刀

资料来源：Pixabay/CC0 公共领域

想象一下，用手机控制自己细胞的活动来治疗伤害和疾病。这听起来像是一个过于乐观的科幻作家的想象。但有一天，通过新兴的量子生物学领域，这可能是一种可能性。

在过去的几十年里，科学家们在理解和操纵生物系统方面取得了令人难以置信的进展，从蛋白质折叠到基因工程，规模越来越小。然而，量子效应对生命系统的影响程度仍然鲜为人知。

量子效应是发生在原子和分子之间的现象，无法用经典物理学解释。一个多世纪以来，人们已经知道经典力学的规则，如牛顿的运动定律，在原子尺度上崩溃。相反，微小物体的行为符合一组称为量子力学的不同定律。

对于只能感知宏观世界或肉眼可见的人类来说，量子力学似乎违反直觉，而且有些神奇。你可能意想不到的事情发生在量子世界中，比如电子“隧道”穿过微小的能量屏障，毫发无损地出现在另一边，或者同时出现在两个不同的地方，这种现象称为叠加。 量子力学描述了原子和分子的性质。

我接受过量子工程师的培训。量子力学的研究通常面向技术。然而，有点令人惊讶的是，越来越多的证据表明，大自然——一位拥有数十亿年实践的工程师——已经学会了如何使用量子力学来发挥最佳作用。如果这确实是真的，那就意味着我们对生物学的理解是完全不完整的。这也意味着我们可以利用生物物质的量子特性来控制生理过程。

生物学中的量子性可能是真实的

研究人员可以操纵量子现象来构建更好的技术。事实上，你已经生活在一个量子驱动的世界中：从激光笔到GPS，磁共振成像和计算机中的晶体管 - 所有这些技术都依赖于量子效应。

一般来说，量子效应只在非常小的长度和质量尺度上表现出来，或者当温度接近绝对零度时。这是因为像原子和分子这样的量子物体在不受控制地与彼此和环境相互作用时会失去它们的“量子性”。换句话说，量子物体的宏观集合最好用经典力学定律来描述。一切以量子开头的东西都是经典的。例如，一个电子可以纵为同时在两个地方，但它在短时间内只会在一个地方结束——这正是经典的预期。 电子可以同时在两个地方，但最终会在一个地方结束。

因此，在一个复杂、嘈杂的生物系统中，预计大多数量子效应将迅速消失，在物理学家欧文·薛定谔（Erwin Schrödinger）所说的“细胞温暖潮湿的环境”中消失。对于大多数物理学家来说，生命世界在高温和复杂环境中运行的事实意味着生物学可以用经典物理学充分而全面地描述：没有时髦的障碍交叉，没有同时存在于多个位置。

然而，化学家长期以来一直乞求不同。对室温下基本化学反应的研究明确表明，蛋白质和遗传物质等生物分子内发生的过程是量子效应的结果。重要的是，这种纳米级的、短暂的量子效应与生物学家在活细胞和生物体中测量的一些宏观生理过程是一致的。研究表明，量子效应会影响生物功能，包括调节酶活性、感应磁场、细胞代谢和生物分子中的电子传递。

如何学习量子生物学

微妙的量子效应可以调整生物过程的诱人可能性对科学家来说既是一个令人兴奋的前沿，也是一个挑战。研究生物学中的量子力学效应需要能够测量短时间尺度、小长度尺度和引起生理变化的量子态细微差异的工具——所有这些都集成在传统的湿实验室环境中。 鸟类在导航中使用量子效应。

在我的工作中，我建造仪器来研究和控制电子等小东西的量子特性。就像电子有质量和电荷一样，它们也具有称为自旋的量子特性。自旋定义了电子如何与磁场相互作用，就像电荷定义电子如何与电场相互作用一样。我从研究生院开始就一直在建立量子实验，现在在我自己的实验室里，旨在应用定制的磁场来改变特定电子的自旋。

研究表明，许多生理过程都受到弱磁场的影响。这些过程包括干细胞发育和成熟，细胞增殖率，遗传物质修复和无数其他过程。这些对磁场的生理反应与依赖于分子内特定电子自旋的化学反应一致。因此，施加弱磁场来改变电子自旋可以有效地控制化学反应的最终产物，并产生重要的生理后果。

目前，由于缺乏对这些过程如何在纳米级上工作的理解，研究人员无法准确确定磁场的强度和频率在细胞中引起特定的化学反应。目前的手机、可穿戴和小型化技术已经足以产生量身定制的弱磁场，改变生理学，无论是好的还是坏的。因此，这个难题中缺失的部分是如何将量子原因映射到生理结果的“确定性密码本”。

在未来，微调自然界的量子特性可以使研究人员开发非侵入性，远程控制且可通过手机访问的治疗设备。电磁治疗可能用于预防和治疗疾病，如脑肿瘤，以及生物制造，如增加实验室培育的肉类生产。

一种全新的科学方式

量子生物学是有史以来最跨学科的领域之一。您如何建立社区并培训科学家在这一领域工作？

自大流行以来，我在加州大学洛杉矶分校和萨里大学量子生物学博士培训中心的实验室组织了大型量子生物学会议，为研究人员提供一个非正式的每周论坛，让他们见面并分享他们在主流量子物理学、生物物理学、医学、化学和生物学等领域的专业知识。

对生物学、医学和物理科学具有潜在变革性影响的研究将需要在同样变革的合作模式下工作。在一个统一的实验室中工作将使来自采用非常不同研究方法的学科的科学家能够进行实验，以满足量子生物学从量子到分子，细胞和有机体的广度。

量子生物学作为一门学科的存在意味着对生命过程的传统理解是不完整的。进一步的研究将为生命是什么、如何控制生命以及如何与自然一起学习以构建更好的量子技术这一古老问题带来新的见解。

本文根据知识共享许可从The Conversation重新发布。阅读原文。

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原标题：《『用app控制我们身体的细胞运行，量子生物学可能会彻底改变我们对生命如何运作的理解》

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